Блог

Jul 25, 2023

Прямое измерение магнитных моментов 3He+

Природа том 606, стр.

Nature, том 606, страницы 878–883 (2022 г.) Процитировать эту статью

5726 Доступов

3 цитаты

83 Альтметрика

Подробности о метриках

Гелий-3 в настоящее время стал одним из наиболее важных кандидатов для исследований в области фундаментальной физики1,2,3, структуры ядра и атома4,5, магнитометрии и метрологии6, а также химии и медицины7,8. В частности, зонды ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 3He были предложены в качестве нового стандарта абсолютной магнитометрии6,9. Для этого требуется высокая точность значения ядерного магнитного момента 3He, который, однако, пока определен лишь косвенно и с относительной точностью 12 частей на миллиард10,11. Здесь мы исследуем сверхтонкую структуру основного состояния 3He+ в ловушке Пеннинга для непосредственного измерения ядерного g-фактора 3He+ \({g}_{I}^{{\prime} }=-\,4.2550996069(30{)} _{{\rm{stat}}}(17{)}_{{\rm{sys}}}\), сверхтонкое расщепление нулевого поля \({E}_{{\rm{HFS}}}^ {\exp }=-\,8,\,665,\,649,\,865.77{(26)}_{{\rm{stat}}}{(1)}_{{\rm{sys}} }\) Гц и g-фактор связанного электрона \({g}_{e}^{{\rm{\exp }}}=-\,2.00217741579(34{)}_{{\rm{stat}} }(30{)}_{{\rm{sys}}}\). Последнее согласуется с нашим теоретическим значением \({g}_{e}^{{\rm{theo}}}=-\,2.00217741625223(39)\), основанным на параметрах и фундаментальных константах из ссылки. 12. Измеренное нами значение ядерного g-фактора 3He+ позволяет определить g-фактор голого ядра \({g}_{I}=-\,4.2552506997(30{)}_{{\rm{stat} }}(17{)}_{{\rm{sys}}}(1{)}_{{\rm{theo}}}\) посредством нашего точного расчета константы диамагнитного экранирования13 \({\sigma }_ {{}^{3}{\mathrm{He}}^{+}}=0.00003550738(3)\). Это представляет собой прямую калибровку зондов ЯМР 3He и повышение точности на один порядок по сравнению с предыдущими косвенными результатами. Измеренное сверхтонкое расщепление в нулевом поле повышает точность на два порядка по сравнению с предыдущим наиболее точным значением14 и позволяет нам определить радиус Цемаха15 до \({r}_{Z}=2,608(24)\) Фм.

Точные и точные измерения фундаментальных свойств простых физических систем позволяют проверить наше понимание природы и найти физические ограничения, выходящие за рамки Стандартной модели физики элементарных частиц (СМ). Например, измерение сверхтонкого расщепления 2s-состояния 3He+ (ссылка 16) представляет собой один из наиболее чувствительных тестов теории квантовой электродинамики связанных состояний (КЭД)17 при низком атомном номере Z. Однако измерения при повышение точности неизбежно требует точного описания и лучшего понимания систематических эффектов, чтобы исключить экспериментальные ошибки и неправильную интерпретацию результатов. Яркими примерами являются несоответствия в массах легких ионов, которые подлежат пересмотру в контексте загадки массы легких ионов2. Более того, несоответствие между измерениями сверхтонкой структуры 209Bi82+,80+ и предсказаниями СМ могло быть устранено путем повторения измерений ЯМР для определения ядерного магнитного момента 209Bi (ссылки 18,19). Здесь мы изучаем фундаментальные свойства другого изотопа, имеющего отношение к ЯМР, — 3He. Мы сообщаем о прямом определении его ядерного магнитного момента, что имеет первостепенное значение для абсолютной магнитометрии, поскольку представляет собой первую прямую и независимую калибровку зондов ЯМР 3He.

Зонды ЯМР, в отличие от сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств или гигантских датчиков магнитосопротивления, позволяют измерять абсолютное магнитное поле с высокой точностью, а зонды 3He, в частности, обеспечивают более высокую точность, чем стандартные зонды ЯМР воды6. Благодаря свойствам благородных газов они требуют существенно меньших поправок из-за систематических эффектов, таких как зависимость от примесей, формы зонда, температуры и давления9. Более того, диамагнитное экранирование σ затравочного ядерного магнитного момента окружающими электронами известно более точно для 3He, чем для образцов воды, для которых эти вклады доступны только путем измерения. В случае атомарного 3He коэффициент \(1-{\sigma }_{{}^{3}{\rm{H}}{\rm{e}}}\), который корректирует экранирование два электрона, было рассчитано теоретически с относительной точностью 10–10 (ссылка 20), где неопределенность обусловлена ​​пренебрежением поправками КЭД. Таким образом, 3He-зонды имеют широкий спектр актуальных применений в метрологии и полевой калибровке в прецизионных экспериментах, таких как эксперименты с мюоном g-2 в Фермилабе и J-PARC21,22. Однако до сих пор единственные измерения ядерного магнитного момента 3He проводились на основе сравнения частоты ЯМР 3He с частотой ЯМР воды или молекулярного водорода10,11,23 и ограничивались 12 частями на миллиард (млрд. ) из-за неопределенности коэффициента экранирования протонов в воде.